KR100616772B1 - 근공비성 3원 혼합냉매 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 압축식 냉동기 또는 공조기에서 사용되는 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로필렌(R1270)을 혼합하거나 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로판(R290)을 구성되는 냉동/공조기용 냉매로서 증발 시 온도구배(TG)가 3℃이내인 근공비성 3원 혼합냉매와 이를 사용한 냉동시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 혼합냉매는 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으면서도 순수냉매처럼 사용할 수 있는 장점이 있다.

냉매, 냉동기, 공조기, 혼합냉매, 지구온난화, 대체냉매, 근공비, 1,1,1-트리플로로에탄, 프로필렌, 프로판, 1,1-디클로로에탄, 디메틸에테르

Description

근공비성 3원 혼합냉매{NEAR AZEOTROPIC MIXED REFRIGERANT}

도 1은 비공비 혼합냉매의 온도-조성 선도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예 1에 따른 R143a/R1270/R152a 3원 혼합냉매의 온도구배선도이다.

도 3은 본 발명의 실시 예 2에 따른 R143a/R1270/DME 3원 혼합냉매의 온도구배선도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예 3에 따른 R143a/R290/R152a 3원 혼합냉매의 온도구배선도이다.

도 5는 본 발명의 실시 예 4에 따른 R143a/R290/DME 3원 혼합냉매의 온도구배선도이다.

도 6은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

Qc: 응축기에서의 열 흐름 방향(냉매℃공기)

Qe: 증발기에서 열 흐름 방향(공기℃냉매)

TS1: 증발기 공기 입구온도, TS7: 증발기 공기 출구온도

TS3: 응축기 공기 출구온도, TS6: 응축기 공기 입구온도

Evaporator: 증발기, Compressor: 압축기

Condenser: 응축기, Expansion Valve: 팽창밸브

본 발명은 저온용 냉동고 및 수송용 냉동기, 가정용 에어컨, 상업용 칠러 등에 널리 사용될 수 있는 3원 혼합냉매와 이를 사용한 냉동시스템에 관한 것으로, 본 발명의 3원 혼합냉매는 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로필렌(R1270)을 혼합하거나 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로판(R290)으로 구성되는 것으로 증발 시 온도구배(TG)가 3℃이내인 것을 특징으로 한다.

냉매(Refrigerant, 이하 R이라 한다)란 냉동사이클의 작동유체로서 저온의 물체에서 열을 빼앗아 고온의 물체로 열을 운반해 주는 매체를 총칭하는 것으로, 저렴하면서도 화학적으로 안정하며 효율이 좋은 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)와 수소화염화불화탄소(Hydrochlorofluorocarbon, 이하 HCFC라 한다)가 주로 사용되어 왔다. 그러나 최근에는 CFC와 HCFC에 의한 성층권 내 오존층 파괴가 중요한 지구환경문제로 대두되었고 이로 인해 성층권내 오존을 파괴하는 CFC와 HCFC의 생산과 사용은 1987년에 채택된 몬트리올 의정서에 의해 규제되고 있다. 따라서 전 세계 대부분의 국가가 오존파괴지수(ODP)가 0.0인 대체냉매를 사용하려 하고 있다.

어떤 물질이 기존 냉매의 대체냉매로 유용하기 위해서는 기존 냉매와 유사한 성능계수(Coefficient of performance, COP)를 가져 기존의 냉매와 유사한 냉동효과를 나타내고, 또한 기존 냉매와 유사한 증기압을 가지는 것(궁극적으로 기존의 냉매와 비슷한 체적용량을 제공할 수 있음)이 압축기 바꾸거나 크게 개조하지 않고도 냉동/공조기를 제조할 수 있어 유리하다. 그러나 지금까지의 연구결과 순수 물질로 기존 냉매를 대체하는 경우에는 대체냉매의 체적용량이 달라서 필연적으로 압축기를 바꾸거나 크게 개조하여야 하며 또 기존 냉매와 비슷한 성능계수를 내기가 어렵다는 것이 밝혀졌다.

이러한 문제점을 해결할 수 있는 방법 중 하나가 혼합 냉매를 이용하는 것이다. 혼합냉매의 특성은 조성을 잘 배합하여 성능계수(COP)를 기존의 냉매와 비슷하게 하고 동시에 기존의 냉매와 비슷한 체적용량을 내게 할 수 있으므로, 압축기를 개조할 필요가 없는 장점이 있다. 이런 특성 때문에 지난 몇 년간 CFC와 HCFC의 대체물로 여러 종류의 혼합냉매가 제안된 바 있다.

두 개 이상의 순수냉매를 혼합하여 혼합냉매를 만드는 경우에는 비공비 혼합냉매(Non-azeotropic refrigerant mixtures, NARMs)가 생성되거나 공비 혼합냉매 (Azeotropic refrigerant mixtures, ARMs)가 생성될 수 있는데, 도 1에서 볼 수 있듯이 비공비 혼합냉매는 순수냉매와 달리 주어진 조성에서 증발이 시작되면서(point ①) 증발온도가 증가하기 시작하여 증발이 끝날 때(point ②)까지 특정한 온도 증가를 보인다. 이 같은 현상을 온도구배(Temperature glide, TG)라 한다. 도 1에서는 비등에 생기면서 기포가 발생하는 모든 점을 전 조성에 대해 이어 기포선(Bubble line)을 구하고, 기체가 응축하면서 생기면서 기포가 발생하는 모든 점을 전 조성에 대해 이어 이슬선(Dew line)을 구하였으며, 도 1에 표현된 조성은 세계적인 표준 규약에 따라 비등점이 낮은 냉매 즉 증기압이 높은 냉매의 중량부로 표현한 것이다.

이러한 온도구배는 혼합냉매를 구성하는 순수물질의 종류와 그 조성에 따라 값이 크게 변한다. 비공비 혼합냉매의 경우 온도구배가 크면 상변화시 냉매조성이 변하므로 냉동시스템을 불안정하게 만들 수 있고, 냉동시스템에 누설이 생길 경우 증기압이 높은 냉매가 먼저 누설되어 시스템 내의 조성 분리로 인한 불균형이 생길 수 있으며 또 큰 온도 구배로 말미암아 열전달계수가 감소하여 열교환기를 크게 해야 하는 문제점이 있다. 따라서 대부분의 냉매회사들은 온도구배(TG)가 3℃이하인 근공비성 혼합냉매(Near azeotropic refrigerant mixtures)를 만들려고 한다. 예를 들면 미국의 듀퐁사와 하니웰사 등에서는 R570A라는 공비혼합냉매(50%R125/50%R143a, TG=0.0℃)와 R410A라는 근공비 혼합냉매(50%R32/50%R125, TG=0.2℃ 정도)를 개발하여 판매하고 있다. 또한 이러한 회사들은 이전에 R407C 등과 같은 비공비 혼합냉매도 개발하여 판매하였지만 R407C의 온도구배는 7℃나 되어 시스템에 누출이 있는 경우 조성분리현상이 생기므로 이제는 대부분 온도구배 3℃이하의 근공비 혼합냉매 만을 개발하고 있는 실정이다.

따라서 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 오존층파괴지수(ODP)가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치니 않으면서도 기존의 순수 냉매처럼 사용할 수 있는 새로운 근공비성 3원 혼합 냉매와 이러한 냉매를 사용하는 냉동/공조기를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로필렌(R1270)을 혼합한 냉동/공조기용 냉매로서 증발 시 온도구배(TG)가 3℃ 이내인 것을 특징으로 하는 근공비성 3원 혼합냉매에 의해 달성될 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 3원 혼합냉매는 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 0.1 내지 99.8 중량부, 프로필렌(R1270) 0.1 내지 99.8 중량부 그리고 1,1-디플로로에탄(152a) 0.1 내지 41 중량부로 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 3원 혼합냉매는 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 0.1 내지 99.8 중량부, 프로필렌(R1270) 0.1 내지 99.8 중량부 그리고 디메틸에테르(DME) 0.1 내지 32 중량부로 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 목적은 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로판 (R290)을 혼합한 냉동/공조기용 냉매로서 증발 시 온도구배(TG)가 3℃ 이내인 것을 특징으로 하는 근공비성 3원 혼합냉매에 의해 달성될 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 3원 혼합냉매는 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 0.1 내지 99.8 중량부, 프로판(R290) 0.1 내지 99.8 중량부 그리고 1,1-디플로로에탄(R152a) 0.1 내지 52 중량부로 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 3원 혼합냉매는 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 0.1 내지 99.8 중량부, 프로판(R290) 0.1 내지 99.8 중량부 그리고 디메틸에테르(DME) 0.1 내지 45 중량부로 구성되는 것이 바람작하다.

상기한 본 발명의 목적은 상기에 열거한 냉매들로 구성되는 군 중 선택된 어느 하나를 냉동/공조기의 작동냉매로 사용하는 것에 의해 달성할 수 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특이한 장점 및 신규한 특징들은 첨부한 도면과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 근공비성 3원 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 저온용 냉동고 및 수송용 냉동기, 가정용 에어컨, 상업용 칠러 등에 널리 사용될 수 있는 3원 혼합냉매와 이를 사용한 냉동시스템에 관한 것으로, 본 발명의 3원 혼합냉매는 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로필렌(R1270)을 혼합하거나 1,1-디플로로에탄(R152a)과 디메틸에테르(DME 혹은 RE170)로 선택되는 군 중 어느 하나와 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 및 프로판(R290)으로 구성되는 것으로 증발 시 온도구배(TG)가 3℃이내인 것이다.

본 발명의 목적은 오존층파괴지수(ODP)가 0.0이므로 성층권 내 오존층에 전혀 영향을 미치니 않으면서도 기존의 순수 냉매처럼 사용할 수 있는 근공비성 3원 혼합 냉매를 제공하는 것이다.

근공비성 대체 혼합냉매를 개발하기 위하여 본 발명자는 냉동/공조기의 성능을 모사하는 미국 표준 연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 개발한 냉매상태 방정식을 이용하여 여러 냉매에 대해 기포가 생기는 기포점(Bubble Point)과 기체가 응축하여 이슬점을 만드는 이슬점(Dew Point)을 계산하고 근공비성 3원 혼합냉매의 온도구배선도를 만들었다. 보통 PEFPROP으로 널리 알려진 Carnahan-Starling-De Santis(CSD) 냉매 상태방정식은 미국표준연구소(NIST)에서 계발한 것으로 정확성 및 적용성이 이미 입증되어 전 세계 냉동/공조 관련 유수기업, 연구소, 대학에서 가장 널리 사용되는 프로그램이다.

본 발명자는 본 발명의 혼합냉매가 냉동/공조기용 대체냉매로서 오존파괴지수(ODP)가 반드시 0.0이어야 한다는 판단 하에 R143a(1,1,1-Trifluoroethane, 1,1,1-트리플로로에탄), R1270(Propylene, 프로필렌), R290(Propane, 프로판), R152a(1,1-Difluoroethane, 1,1-디플로로에탄) 그리고 DME(혹은 RE170)(Dimethyl ether, 디메틸에테르)을 혼합하여 구성되는 오존층을 파괴할 염려가 없는 근공비성 3원 혼합냉매를 개발하였다.

[본 발명의 실시 예에 따른 조성표]

실시 예	조성	조성비(중량비)
1	R143a/R1270/R152a	R143a	R1270	R152a
		0.1∼99.8	0.1∼99.8	0.1∼41
2	R143a/R1270/DME	R143a	R1270	DME
		0.1∼99.8	0.1∼99.8	0.1∼32
3	R143a/R290/R152a	R143a	R290	R152a
		0.1∼99.8	0.1 ∼99.8	0.1∼52
4	R143a/R290/DME	R143a	R290	DME
		0.1∼99.8	0.1∼99.8	0.1∼45

[표 1]은 본 발명의 실시 예에 따른 3원 혼합 냉매의 조성 및 조성비를 나타낸 표이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명자가 개발한 근공비성 3원 혼합냉매들의 온도구배선도를 보여준다. 2원 냉매와 달리 3원 냉매가 되면 세가지 구성성분이 변하므로 도 1과 같은 온도-조성 선도를 그리는 것이 어려우므로 본 발명자는 도 2 내지 도 5와 같이 동일한 온도구배를 나타내는 선들(Contours)을 그려서 어떤 조성의 조합에서도 3원 혼합냉매의 온도구배를 알 수 있도록 하였다.

[본 발명의 실시 예 1]

도 2는 본 발명의 실시 예 1에 따른 R143a/R1270/R152a 3원 혼합냉매의 온도구배선도를 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시 예 1에 따른 3원 혼합냉매는 R143a(1,1,1-트리플로로에탄)과 R1270(프로필렌)이 0.1 내지 99.8 중량부이고 R152a(1,1-디플로로에탄) 0.1 내지 41 중량부로 혼합된 경우 온도구배가 3℃이내인 근공비성 3원 혼합냉매가 됨을 알 수 있다. 예를 들면, R143a가 40 중량부이고 R1270이 52 중량부이며 R152a가 8 중량부인 경우 온도구배는 1℃ 정도로 이러한 경우에는 순수냉매와 유사하게 다룰 수 있다. 그러나 R143a가 40 중량부라 하더라도 R1270이 10 중량부이고 R152a가 50 중량부인 경우에는 온도구배가 약 9℃로서 이 경우에는 상변화에 따른 조성변화가 크고 냉매유출 시에 조성의 변화가 생겨 시스템의 운영이 불안정해질 위험이 있다.

[본 발명의 실시 예 2]

도 3은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 R143a/R1270/DME 3원 혼합냉매의 온도구배선도를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시 예 2에 따른 3원 혼합냉매는 R143a와 R1270의 각각 0.1 내지 99.8 중량부이고 DME의 조성이 0.1 내지 32 중량부인 역역 중 소정의 영역에서 온도구배가 3℃ 이하인 것으로 나타나고 있다. 예를 들면, R143a의 조성이 40 중량부이고 R1270의 조성이 49 중량부이며, DME의 조성이 11 중량부인 혼합냉매의 경우, 온도구배가 약 2℃로서 근공비성 혼합냉매가 된다. 그러나 R143a가 40 중량부인 경우라 하더라도 R1270이 22 중량부 이고 DME가 32 중량부인 경우에는 온도구배가 약 8℃ 정도로 상당한 차이가 있다. 따라서 R143a/R1270/DME 3원 혼합냉매는 온도구배가 3℃이하인 근공비성 혼합냉매영역(도 3의 표시부분) 내에 속하는 조성비를 갖는 경우 순수냉매와 같이 취급할 수 있다.

[본 발명의 실시 예 3]

도 4는 본 발명의 제 3실시 예에 따른 R143a/R290/R152a 3원 혼합냉매의 온도구배선도를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시 예 3에 따른 3원 혼합냉매는 R143a 및 R290의 조성이 0.1 내지 99.8 중량부이고 R152a의 조성이 0.1 내지 52 중량부인 소정의 영역(도 4의 표시부분)에서 온도구배가 3℃를 넘지 않는 근공비성 혼합냉매로 혼합될 수 있다. 예를 들면, R143a가 40 중량부이고 R290이 37 중량부 그리고 R152a가 23 중량부인 경우의 온도구배는 2℃이다. 따라서 상기 영역 내에서는 R143a/R290/R152a 3원 혼합냉매를 순수냉매와 같이 취급할 수 있다. 그리나 상기 근공비성 혼합냉매영역을 벗어난 경우에는 온도구배가 급격히 상승하는 것을 알 수 있는데, R143a가 40 중량부인 경우라 할지라도 R290이 5 중량부이고 R152a가 55 중량부인 경우에는 온도구배가 8℃로서, 이러한 조성을 가진 혼합냉매는 상변화 혹은 냉매유출 시 조성변화가 크게 나타나므로 순수냉매와 같이 취급할 수 없다.

[본 발명의 실시 예 4]

도 5는 본 발명의 제 4실시 예에 따른 R143a/R290/DME 3원 혼합냉매의 온도구배선도를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시 예 4에 따른 3원 혼합냉매는 R143a와 R290의 조성이 각각 0.1 내지 99.8 중량부이고 DME의 조성이 0.1 내지 45 중량부인 영역 중 소정의 영역에서 온도구배가 3℃ 이하인 것으로 나타나고 있다. 예를 들면, R143a의 조성이 30 중량부이고 R290의 조성이 53 중량부이며, DME(디메틸에테르)의 조성이 17 중량부인 혼합냉매의 경우, 온도구배가 2℃로서 근공비성 혼합냉매가 된다. 그러나 R143a가 30 중량부인 경우라 하더라도 R290이 17 중량부이고 DME가 53 중량부인 경우에는 온도구배가 약 7℃ 정도로 상당한 차이가 있다. 따라서 R143a/R290/DME 3원 혼합냉매의 조성비가 온도구배 3℃이하인 근공비성 혼합냉매영역(도 5의 표시부분) 내에 속하는 경우 순수냉매와 같이 취급할 수 있다.

도 6은 본 발명에서 사용한 일반적인 냉동/공조기의 구성도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 냉동/공조기는 일반적으로 증발기, 응축기, 압축기, 팽창 밸브 등을 포함하여 구성된다. 상기한 본 발명의 실시 예 1내지 4에 따른 근공비성 3원 혼합 냉매를 사용하면, 일반적인 순수냉매를 사용하는 경우와 같이 냉매의 누출 등에도 불구하고 그 조성 및 열전달 계수 등의 변화가 없어 일반적인 냉동/공조기를 개조하지 않고도 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 명세서 전체에 걸쳐 사용된 용어인 냉동시스템은 냉동기/공조기의 의미로 사용되는 것으로서 특별히 구분하지 않은 이상 양자는 동일한 의미로 사용된 것임에 유의할 필요가 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 혼합냉매 및 이를 사용한 냉동시스템에 의하면 혼합냉매를 구성하는 물질의 오존층파괴지수가 0.0이므로 냉매의 유출이 있거나 냉매를 폐기하는 경우에도 지구의 오존층파괴를 방지할 수 있는 현저한 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 혼합냉매는 근공비를 이루는 3원 혼합냉매이므로 상변화에 따른 조성의 변화가 없어, 순수 냉매를 사용하는 경우와 같이 냉동시스템을 안정적으로 사용할 수 있고, 냉매 유출시의 조성 분리 현상이 방지되는 현저한 효과가 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 0.1 내지 99.8 중량부, 프로필렌(R1270) 0.1 내지 99.8 중량부 및 1,1-디플로로에탄(152a) 0.1 내지 41 중량부로 구성된 냉동/공조기용 냉매로서 증발 시 온도구배가 3℃ 이내인 것을 특징으로 하는 근공비성 3원 혼합냉매.
3. 1,1,1-트리플로로에탄(R143a) 0.1 내지 99.8 중량부, 프로필렌(R1270) 0.1 내지 99.8 중량부 그리고 디메틸에테르(DME) 0.1 내지 32 중량부로 구성된 냉동/공조기용 냉매로서 증발 시 온도구배가 3℃ 이내인 것을 특징으로 하는 근공비성 3원 혼합냉매.
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